Conjunto de instruções mips - introdução

Conjunto de Instruções
MIPS
ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
UNIVERSIDADE SAGRADO CORAÇÃO
PROF.ª M.ª ENG.ª ELAINE CECÍLIA GATTO

1. INTRODUÇÃO
 Instruções:
 São as palavras da linguagem de máquina
 Conjunto de instruções:
 É o vocabulário da linguagem de máquina
 Todo processador é construído com base nos mesmos princípios
fundamentais, mesmas tecnologias de hardware e realiza as mesmas
operações básicas.

1. INTRODUÇÃO
 Objetivo no projeto de construção de microprocessadores:
 Encontrar um conjunto de instruções que facilite tanto a construção
do hardware quanto a do compilador e, ao mesmo tempo, maximize
a performance e minimize os custos

2. OPERAÇÕES EXECUTADAS PELO
HARDWARE DA MÁQUINA
 AFIRMAÇÃO:
 Todo processador deve ser capaz de executar instruções aritméticas
 Exemplo:
add a, b, c
 Essa instrução representa a soma de B com C, armazenando o
resultado em A.

 MIPS:
 Conjunto de instruções
 Cada instrução aritmética executa apenas uma operação
 Precisa sempre referenciar exatamente três variáveis
 Exemplo:
 Somar B, C, D, E;
 Armazenar o resultado em A

 Solução:
add a, b, c
add a, a, d
add a, a, e
 Na primeira linha soma-se B com C e o resultado é armazenado em A
 Na segunda linha soma-se o resultado que foi armazenado em A com o
valor de D
 Na terceira linha soma-se o resultado armazenado em A com o valor de
E

 Para realizar a soma de quatro valores, foi necessário três instruções
 Na linguagem de montagem MIPS, usa-se # para fazer comentários e
não ponto e vírgula como na linguagem X86 no debug
 Em MIPS cada linha da linguagem pode conter apenas uma instrução
 ADIÇÃO:
 Sempre possuirá três operandos
 Dois números a serem somados (origem)
 Um local de armazenamento (destino)

 PERGUNTA:
 Porque três operandos? Porque não dois operandos como no x86? Ou
porque não instruções com tamanhos de operandos variados?
 RESPOSTA:
 Objetivo: manter o hardware tão simples quanto possível
 Realizar operações aritméticas com um número variável de operandos
é mais complexo
 Realizar operações aritméticas com um número fixo de operandos é
mais simples
 RECORDAR: RISC X CISC

 PRINCÍPIOS DE PROJETO
1. A simplicidade é favorecida pela regularidade
Categoria Instrução Exemplo Significado Comentário
Aritmética Add (soma) Add a, b, c A = b + c Três operandos
Subtract (subração Sub a, b, c A = b - c Três operandos
TABELA 1: ARQUITETURA DO MIPS

2.1. COMPILAÇÃO DE DOIS COMANDOS DE ATRIBUIÇÃO
EM C PARA LINGUAGEM DE MONTAGEM MIPS
 EXEMPLO
 Dado o seguinte código em linguagem de alto nível (linguagem C).
Traduza-o para linguagem de máquina MIPS.
a = b + c;
d = a – e;
 SOLUÇÃO:
add a, b, c
sub d, a, e

2.1. COMPILAÇÃO DE DOIS COMANDOS DE ATRIBUIÇÃO
EM C PARA LINGUAGEM DE MONTAGEM MIPS
 EXERCÍCIOS
y = x + w;
z = k – l;
 SOLUÇÃO:
??????

 EXEMPLO
f = (g + h) – (i + j);
 SOLUÇÃO:
add t0, g, h
add t1, i, j
Sub f, t0, t1
2.2 COMPILAÇÃO DE UMA DECLARAÇÃO C COMPLEXA

 EXPLICANDO:
 F = (g + h) – (i + j) é o mesmo que (foi quebrado em duas partes)
 F = t0 – t1
 t0 = g + h
 t1 = i + j
 t0 e t1 são variáveis temporárias, normalmente, são espaços livres de
algum registrador de uso geral

 EXERCÍCIOS
w = (y - l) + (z - k);
 SOLUÇÃO:
????

3. OPERANDOS DE HARDWARE DE MÁQUINA
 Importante:
 Operandos de instruções aritméticas não podem ser variáveis
 Não há suporte em hardware para esta implementação
 Solução:
 Uso de REGISTRADORES (conjunto especial de localidades de
memória)

 PERGUNTA:
 O que são registradores de acordo com os autores?
 RESPOSTA:
São as primiticas do projeto de hardware que permanecem visíveis
ao programador quando o projeto se torna operacional

 Registradores do MIPS
 Tamanho da palavra: 32 bits
 Quantidade de registradores: 32
 PERGUNTA:
 Qual a principal diferença entre as vari´veis de uma linguagem de alto
nível e os registradores?
 RESPOSTA:
 É a quantidade limitada destes últimos

 RESTRIÇÃO:
 Os três operandos das instruções aritméticas do MIPS precisam ser
escolhidos de um dos 32 registradores de 32 bits
 PRÍNCIPIOS DE PROJETO
 2. Quanto menor, mais rápido
 A máquina tornar-se mais lenta com um grande número de registradores
no hardware, pois aumenta o ciclo do clock

 QUESTIONE-SE:
 31 registradores fazem a máquina funcionar mais rápido que 32?
 “menor é mais rápido”:
 Até que ponto isso é verdadeiro?
 A regra não é absoluta!!!

 Objetivo do projetista:
 Manter o clock do hardware tão pequeno quanto possível
 Questionar-se:
 Preciso que os meus programas tenhm mais registradores disponíveis?
 O uso correto dos registradores é fundamental para o bom desempenho
da máquina

 COMO REFERENCIAR UM REGISTRADOR NO MIPS:
 Usar um $ seguido de dois caracteres
 0 a 31 registradores (32 no total)
 EXEMPLO (registradores temporários)
 $s0, $s1, etc.
 $t0, $t1, etc.

3.1. COMPILAÇÃO DE UM COMANDO DE
ATRIBUIÇÃO EM C USANDO REGISTRADORES
 EXEMPLO:
 Dada a linha de código em linguagem C abaixo, qual o código em
linguagem de montagem MIPS?
f = ( g + h ) – ( i + j );
 RESPOSTA:
 O compilador deve fazer a associação das variáveis de um programa
com os registradores do hardware!!!!!
 F = $s0, G = $s1, H = $s2, I = $s3, J = $s4

 Código em MIPS:
add $t0, $s1, $s2
add $t1, $s3, $s4
sub $s0, $t0, $t1
 ENTENDERAM???????

 EXERCÍCIOS:
 Dada a linha de código em linguagem C abaixo, qual o código em
linguagem de montagem MIPS?
w = (y - l) + (z - k);
 RESPOSTA:
 ???

 Como tratar estruturas de dados?
 Estruturas de Dados podem conter muito mais elementos do que
registradores disponíveis no hardware da máquina
 Apenas um pequeno número de dados pode ser mantido pelo
processador em seus registradores
 A memória do computador, no entanto, pode conter milhões de
dados
 Concluindo, estruturas de dados são armazenadas na memória e não
nos registradores.

 IMPORTANTE:
 Operações aritméticas ocorrem somente entre valores armazenados
em registradores e refrenciados pelas instruções do MIPS
 É necessário que haja instruções de transferência de dados entre a
memória e os registradores
 Como fazer para acessar uma palavra na memória?
 A instrução de transferência de dados deve fornecer o endereço na
memória da palavra a ser acessada
 Endereço = índice

 LOAD:
 É a instrução de transferência de dados que move um dado da
memória para um registrador
 Formato da instrução LOAD (lw = load word):
 Nome da operação + registrador a ser carregado + constante
associada a outro registrador (endereçamento da memória)
 Cálculo do endereço da memória:
 Constante + conteúdo do registrador associado a ela

 IMPORTANTE:
 Uma instrução LW faz uma cópia do dado da memória
 O dado continua armzenado na memória
 Portanto, não é feito uma transferencia definitiva
 O primeiro índice do array é zero

3.2. COMPILAÇÃO DE UMA ATRIBUIÇÃO COM
UM OPERANDO NA MEMÓRIA
 EXEMPLO:
 Traduza o comando de atribuição abaixo, escrito em C, para a
linguagem de montagem do MIPS, em que A é um array de 100
palavras.
g = h + a[8];
 SOLUÇÃO:
 G = $s1, H = $s2; $s3 = endereço-base (endereço inicial do array)

 Há uma única operação no trecho de código em C, que é a soma!
 Um dos operandos da operação está na memória (no caso, o array)
 O operando da memória deve ser transferido (copiado) para um
registrador (A[8])

 CÁLCULO DO ENDEREÇO:
 Onde está, na memória, o elemento do array que preciso transferir?
 Endereço na memória = endereço-base + índice
 O valor resultante do cálculo também deve ser guardado em um
registrador temporário para uso posterior
 Portanto:
lw = $t0, 8 ( $s3) #O registrador temporário $t0
recebe a[8]

 Agora, o valor de a[8] já está em um registrador temporário para
manipulação ($t0)
 O que precisamos fazer agora? Somar o valor de h com o valor que está
em a[8]
 Portanto:
add $s1, $s2, $t0 # g recebe h + a[8]

g = h + a[8];
É o mesmo que:
lw = $t0, 8 ( $s3)
add $s1, $s2, $t0

 EXERCÍCIOS:
 Traduza o comando de atribuição abaixo, escrito em C, para a
linguagem de montagem do MIPS, em que A é um array de 100
palavras.
w = x + y[4];
 SOLUÇÃO
 ??????

 IMPORTANTE:
 DESLOCAMENTO:
 É a constante que aparece na instrução de transferência de dados
 REGISTRADOR-BASE:
 É o registrador cujo valor armazenado é somado a esta constante

3.A – INTERFACE HARDWARE/SOFTWARE
 Compilador MIPS
 Associa variáveis a registradores
 Aloca em endereços de memória determinadas estruturas de dados
como os arrays
 Aloca espaço de memória para programas e dados
 Coloca o endereço inicial nas instruções de transferência de dados

 RESTRIÇÃO DE ALINHAMENTO:
 As palavras precisam sempre começar em endereços que sejam
múltiplos de 4
 Porque ocorre?
 Quase todas as arquiteturas endereçam bytes individuais (8 bits ou
bytes)
 O endereço de uma palavra deve ser igual ao endereço de um dos
bytes componentes da palavra
 O endereço de duas palavras sequencias difere sempre de 4 unidades

 Big endian:
 É uma máquina que endereça bytes e usa o byte mais à esquerda
para representar o endereço da palavra
 Little endian
 É uma máquina que endereça bytes e usa o byte mais à direita para
representar o endereço da palavra

 O endereçamento de bytes afeta a indexação dos arrays
 O deslocamento a ser adicionado ao conteúdo do registrador-base
deve ser 4 x Y, de modo que o elemento do array selecionado pela
instrução load seja a[Y] e não a[Y/4]

 STORE (sw = store word):
 Instrução de armazenamento
 Transfere um dado de um registrador para a memória
 Formato:
 Nome da operação + registrador + deslocamento + registrador-base
 Endereço do MIPS:
 Constante + conteúdo do registrador

3.3. COMPILAÇÃO USANDO
INSTRUÇÕES DE LOAD E STORE
 EXEMPLO:
 Dado o trecho de código em linguagem C abaixo, qual é o código de
montagem em linguagem MIPS?
a[12] = h + a[8];
 SOLUÇÃO:
 Uma única operação (soma)
 Dois operandos na memória (a[12] e a[8])

 REFORÇANDO: MIPS endereça byte
 SOLUÇÃO COMPLETA:
lw $t0, 32($s3)
add $to, $s2, St0
Sw $to, 48($s3)
 DESLOCAMENTOS:
 32 pois 4 * 8
 48 pois 4 * 12
Os arrays muitas vezes
são acessados com
variáveis em vez de
constantes!!!!
O elemento do array
pode mudar durante a
execução do programa

 EXEMPLO:
 Dado o trecho de código em linguagem C abaixo, qual é o código de
montagem em linguagem MIPS?
z[16] = y + z[12];
 SOLUÇÃO:
 ??????

3.4. COMPILAÇÃO USANDO UMA
VARIÁVEL PARA INDEXAR O ARRAY
 EXEMPLO:
 Dado o trecho de código em linguagem C abaixo, qual o código MIPS
correspondente?
g = h + a[i];
 SOLUÇÃO:
 Instrução com uma operação (soma)
 Instrução com uma transferência da memória

 1º passo:
 Calcular o endereço de a[i], para isto:
 Multiplicar o valor do índice i por 4 (i *4)
 Fazer a multiplicação (i * 4) usando somas:
i + i = 2i
2i + 2i = 4i
add $t1, $s4, $s4 #2*i
add $t1, $t1, $t1 #4*i
Em seguida, obter o
endereço de a[i]
somando $t1 ao
endereço-base de a,
armazenado em #s3
add $t1, $t1, $s3
#a[i] = (4*i+$s3)

 2º passo:
 Usar o endereço calculado para carregar a[i] em um registrador
lw $t0,0($t1) #$t0=a[i]
 Agora somar:
add $s1, $s2, $t0 #g=h+a[i]

 g = h + a[i];
 Código completo:
add $t1, $s4, $s4 #2*i
add $t1, $t1, $t1 #4*i
add $t1, $t1, $s3 #a[i]=(4*i+$s3)
lw $t0,0($t1) #$t0=a[i]
add $s1, $s2, $t0 #g=h+a[i]

 EXEMPLO:
 Dado o trecho de código em linguagem C abaixo, qual o código MIPS
correspondente?
y = x + w[i];
 SOLUÇÃO:
 ????

3.B – INTERFACE HARDWARE/SOTWARE
 São mantidas nos registradores apenas as variáveis usadas com mais
frequencia
 As demais são colocadas na memória
 SPILLING
 DERRAMAMENTO DE REGISTRADORES:
 É o processo de colocar na memória as variáveis menos usadas
 Usa-se instruções de load/store para transferência M<-->R

 O acesso à memória é mais lento que o acesso à registradores
 Isto porque a quantidade de registradores é menor que os endereços de
memória
 Portanto, o acesso aos registradores é muito mais rápido que o acesso à
memória

 INSTRUÇÃO ARITMÉTICA DO MIPS:
 Le dois registradores
 Opera dados lidos
 Escreve o resultado da operação

 INSTRUÇÃO DE TRANSFERÊNCIA DO MIPS:
 Le um operando
 Escreve um operando
 Não efetua quaisquer operação

Nome Exemplo Comentários
32 registradores $s0, $s1
 Posições de acesso rápido para armazenamento de dados.
 Os dados devem estar em registradores para que as
operações aritméticas possam ser relizadas.
230 palavras de memória
Memória[0]
Memória[4]
 Estas posições só são acessadas por instruções de
transferência de dados.
 Endereça bytes
 Os endereços de palavras consecutivas diferem de 4
unidades.
TABELA 2: OPERANDOS DO MIPS

Categoria Instrução Exemplo Significado Comentário
Aritmética
add add $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 + $s3
Três operandos
Dados em registradores
subtract sub $s1, $s2, $s3 $s1 = $s2 - $s3
Três operandos
Dados em registradores
Transferência
de dados
load word lw $s1, 100($s2) $s1 = Memória[$s2 + 100]
Memória  Registrador
store word sw $s1, 100($s2) Memória[$s2 + 100] = $s1
Registrador  Memória
TABELA 3: Arquitetura do MIPS

 REGISTRADOR-ÍNDICE:
 Outro nome para o registrador-base
 Objetivo:
O registrador nas instruções de transferência de dados foi inventado
com o objetivo de guardar o índice de um array, com o
deslocamento marcando o endereço inicial de tal array

4. REPRESENTAÇÃO DE INSTRUÇÕES
 Mapeamento dos nomes dos registradores em números:
 $s0 à $s7 = 16 a 23
 $t0 a $t7 = 8 a 15

4.1 TRADUÇÃO DE UMA INSTRUÇÃO NA LINGUAGEM DE
MONTAGEM DO MIPS PARA UMA INSTRUÇÃO DE MÁQUINA
 EXEMPLO:
 Dada a instrução MIPS abaixo, converta-a para uma instrução de
máquina
add $t0, $s1, $s2
 SOLUÇÃO:
0 17 18 8 0 32
CAMPO 1 CAMPO 2 CAMPO 3 CAMPO 4 CAMPO 5 CAMPO 6
add $s1 $s2 $t0 0 add

 Campo 1 e Campo 6:
 Informam ao MIPS que esta instrução é uma adição
 Campo 2:
 Informa o número do registrador do primeiro operando-fonte
 Campo 3:
 Informa o segundo operando-fonte
 Campo 4:
 Contém o número do registrador que armazenará o resultado
 Campo 5:
 Não é utilizado nesta instrução, portanto, seu valor é zero.

Linguagem de
Máquina
0 17 18 8 0 32
Código de Máquina 000000 10001 10010 01000 00000 100000
32 bits 6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits
instrução add $s1 $s2 $t0 0 add
0 17 18 8 0 32
CAMPO 1 CAMPO 2 CAMPO 3 CAMPO 4 CAMPO 5 CAMPO 6
Tipo de
instrução
Operando-fonte 1 Operando-fonte 2 Resultado
da soma
Não utilizado Tipo de
instrução
add $s1 $s2 $t0 0 add

4.1 TRADUÇÃO DE UMA INSTRUÇÃO NA
LINGUAGEM DE MONTAGEM DO MIPS PARA
UMA INSTRUÇÃO DE MÁQUINA
op rs rt rd shamt Funct
Operação
básica –
OpCode –
Código da
Operação
Operando
fonte
(registrador)
Operando
fonte
(registrador)
Registrador
destino
(armazena o
resultado da
operação)
Deslocamento
de bits
Código de
função Função.
Variação da
operação
6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits
Problema: manter todas as instruções do mesmo tamanho e de ter um único formato de instrução
Princípio de projeto 3: Um bom projeto demanda compromisso!
No MIPS toda as instruções tem o mesmo tamanho (em bits), mas permite formatos diferentes!

 Formato R-TYPE ou formato R-FORMAT, pois a instrução usa registradores
(exemplo dos slides anteriores)
 Formato I-TYPE ou I-FORMAT usado na representação de instruções de
transferência de dados
op rs rt Endereço
6 bits 5 bits 5 bits 16 bits
Registrador
base
Registrador
destino
Uma instrução de load word pode carregar qualquer palavra
dentro da faixa entre o endereço constante no registrador base
(rs) acrescido ou decrescido de 32.768 bytes (ou 8.192 palavras)

 Exemplo:
 g = h + A[8];
 lw $t0, 32($s3) #Registrador temporário recebe a[8]
 A distinção entre os formatos de instruções no MIPS se dá pelo valor do primeiro
campo
op rs rt Endereço
lw $s3 $t0 32
35 19 8 32
6 bits 5 bits 5 bits 16 bits

Instrução Formato op rs rt rd shamt funct Endereço
add R 0 Reg Reg Reg 0 32 não existe
sub R 0 Reg Reg Reg 0 34 não existe
lw I 35 Reg Reg não existe não existe não existe Endereço
sw I 43 Reg Reg não existe não existe não existe Endereço
REG = é o número de um registrador entre 0 e 31
ENDEREÇO = é um valor de 16 bits
ADD e SUB tem o mesmo valor no código da operação. O hardware sabe a diferença pelo
campo FUNCT, que não é igual para os dois. 0 é o código para operação aritmética.

 Exemplo: Dado o código em linguagem de alto nível A[300] = h +
A[300], converta-o para código MIPS, faça a representação de
linguagem de máquina e de código de máquina.
lw $t0, 1200 ($t1)
add $t0, $s2, $t0
sw $to, 1200($t1)

op rs rt rd Shamt/endereço funct
lw ($t1) $t0 1200
35 9 8 1200
100011 01001 01000 0000 0100 1011 0000
add $s2 $t0 $t0
0 18 8 8 0 32
000000 10010 01000 01000 00000 100000
sw ($t1) $t0 1200
43 9 8 1200
101011 01001 01000 0000 0100 1011 0000

Nome Formato Exemplo Comentários
add R 0 18 19 17 0 32 add $s1, $s2, $s3
sub R 0 18 19 17 0 34 sub $s1, $s2, $s3
lw I 35 18 17 100 lw $s1, 100($s2)
sw I 43 18 17 100 Sw $s1, 100($s2)
Tamanho
do
campo
6 bits 5 bits 5 bits 5 bits 5 bits 6 bits
Todas as instruções do MIPS
tem 32 bits
Formato R R op rs rt rd shamt funct
Formato das instruções
aritméticas
Formato I I op rs rt endereço
Formato das instruções de
transferência de dados

 A construção de computadores hoje deve obedecer a dois princípios:
 As instruções são representadas em forma de número
 Os programas devem ser armazenados na memória antes de serem
executados
 CONCEITO DE PROGRAMA ARMAZENADO

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